高性能混凝土在高速鐵路工程中的應用課件

1、覃維祖19601966年 清華大學土木建筑工程系建筑材料專業(yè)學習19681977年 四川攀枝花第十九冶金建設公司工程公司工作5年；建研所工作5年19771993年 交通部公路科研所工作 19871988年到法國路橋研究院進修19932006年 清華大學任教近年研究方向：高性能混凝土及其工程應用；混凝土結構的開裂及防治; 混凝土路面材料與工程；新型膠凝材料及應用高性能混凝土在高速鐵路工程中的應用清華大學 土木工程系 覃維祖貴廣鐵路高性能混凝土施工技術講座原材料與混凝土配制膠凝材料水泥、礦粉與粉煤灰品質控制粗細骨料品質控制堿活性骨料的預防與補救措施膠凝材料與聚羧酸系減水劑的適應性高性能混凝土與耐久

2、性混凝土的區(qū)別混凝土施工生產方面問題、人工砂機制砂在高性能混凝土應用，石粉含量的控制。 、高性能混凝土中的礦物摻和料為什么要雙摻不單摻？礦粉與粉煤灰在高性能混凝土中起到的主要作用是什么？為什么又不選擇硅灰？ 、噴射混凝土初支按高性能混凝土驗收是否適宜 一、引言 什么樣的混凝土是高性能混凝土？HPCHigh Performance concrete 20世紀80年代，美國國家材料委員會提出：要為新世紀的根底設施建設開發(fā)高性能的建筑材料，包括鋼材、混凝土、塑料等。 1990年5月，在美國馬里蘭州Gaithers-burg 城由 NIST 和 ACI 主辦了第一次關于HPC的國際研討會，會議首次提出

3、關于高性能混凝土的定義。HPC的由來術語：高性能混凝土High Performance concrete Performance Properties表演、執(zhí)行 性質、特性 性能定義 高性能混凝土具備需要的性能和勻質性的混凝土。按常規(guī)靠采用傳統(tǒng)的組分材料、普通的攪拌、澆注與養(yǎng)護操作，是不可能得到這種混凝土的。第一次國際高性能混凝土研討會1990報道者的舉例： 這些性能，例如易于澆注和壓實而不離析、高長期力學性能、高早強、高韌性、體積穩(wěn)定、嚴酷環(huán)境中使用壽命長。Nicholas J. Carino, James R. Clifton. High performance concrete: res

4、earch needs to enhance its use. CI. Sept 1991.定義 高性能混凝土滿足特定功能與勻質性綜合需要的混凝土。按慣常做法，用普通的組分材料和一般的攪拌、澆注與養(yǎng)護操作，不可能獲得這種混凝土。 美國混凝土學會技術委員會 1998注釋：高性能混凝土的特性，是針對一定的應用和環(huán)境所要求的。例如： 易于澆注 早期強度 滲透性 水化熱 體積穩(wěn)定性 可搗實、不離析長期力學性質密度 韌性在效勞環(huán)境中運行壽命長久 高工作度 高強度 高耐久性 可泵送的高強混凝土 摻有礦物摻和料的混凝土 低水膠比的混凝土高性能混凝土存在認識誤區(qū)整體論與復原論 科學思想分為兩大派系，整體綜合論

5、與復原分解論，過去整體論用得最普遍中醫(yī)辨證施治可為一例。近代科研手段精進，復原論用得更為普遍。即將科研對象復原或分解到可能到達的最小單位，進行具體的量化研究，復原論對當代自然科學與技術科學的開展已產生很大作用，但缺點是分得愈細，愈易脫離整體和實際，因此無法從整體來全面有效地解決問題或認識事物的本質。吳中偉 綠色高性能混凝土與科技創(chuàng)新 建筑材料學報 第1卷第1期 1998年3月高性能混凝土與耐久性混凝土的區(qū)別？兩個完全不同的概念：耐熱混凝土透水混凝土泡沫混凝土使用泡沫混凝土填充的橋基差異沉降曲線沉降量S橋基間差異沉降軟弱層排水板，排水砂井軟弱層樁基礎路 基路 面橋 面橋 臺路 基泡沫混凝土鳥巢旁

6、泡沫混凝土施工實例工作度 Workability1碾壓混凝土 拌合物需要足夠地干硬以支撐非常沉重的振動壓實機械不致下陷而正常地行進和工作。2滑模攤鋪混凝土 拌合物需要具備適當的坍落度25cm，使攤鋪機正常地行進和工作。3自密實混凝土 拌合物的流動性和粘聚性良好，在沒有外加振搗的條件下能夠成型密實。 高強混凝土已被證明是對早期開裂非常敏感的材料。這不僅是水化熱的結果，由于自枯燥作用產生的自收縮和硫酸鹽相的化學反響，可能也是重要起因。 20世紀混凝土業(yè)為滿足越來越高的強度要求，不可防止地違背了材料科學的根本規(guī)律，即開裂與耐久性之間存在的密切關系。為了實現建設可持續(xù)開展的混凝土結構這個目標，有必要更

7、新一些觀念和建設實踐。 高強混凝土與開裂洞庭湖橋一個不透水，但存在非連續(xù)微裂縫，且多孔的鋼筋混凝土結構環(huán)境作用第一階段無可見損傷1. 侵蝕作用冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)2. 荷載作用循環(huán)荷載、沖擊荷載 由于微裂縫和孔隙連通并延伸到外表，不透水性逐漸喪失環(huán)境作用第二階段損傷的開始與擴展水的滲入O2、CO2滲入酸性離子Cl- , SO4-)滲入A：以下原因使孔隙內靜水壓增大、混凝土膨脹：鋼筋銹蝕、堿-骨料反響、水結冰、硫酸鹽侵蝕B：混凝土強度與剛度降低開裂、剝落與整體性喪失混凝土劣化的“整體性模型混凝土開裂-結構耐久性的整體論 1結構周圍環(huán)境，包括冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)的作用，是荷載以外導致混凝土開始劣化，因

8、此也是影響混凝土結構耐久性的決定性因素； 2混凝土體內的微裂縫和孔隙相互連通并延伸至外表，形成使外界侵蝕性介質，首先是水分向內遷移的通道； 3鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)或者堿-骨料反響、硫酸鹽侵蝕，并不直接影響結構物的耐久性；而外界水分進入，上述反響產物吸水膨脹，引起混凝土強度和剛度降低、剝落與整體性喪失、微裂縫繼續(xù)延伸和擴展，才是使結構逐步破壞的根本原因。西直門橋高速鐵路建設對混凝土性能的要求混凝土工程高質量強度： C25 C50耐久性二、高性能混凝土的配制 1. 粗細骨料 粗骨料級配 510mm:1025mm) 細骨料：人工砂 石粉含量；含泥量 骨料品質評價：混凝土單方用水量 從耐久性觀點出發(fā)，直

9、接控制拌合物最大允許用水量是很必要的。 2. 水泥 水泥標號與混凝土強度？ 水泥倉溫度 水泥存放時間 水泥與減水劑相容性混凝土單方用水量 強度方程： fcu.k = A fce ( C/W B )fcu.k混凝土配制強度fce 水泥標號實際強度C/W灰水比A,B 系數3. 礦物摻合料摻用目的？雙摻作用 種類：粉煤灰、磨細礦渣磷礦渣 、硅灰 粉煤灰 改善和易性 降低澆筑溫度、水化溫升 Sunshine Skyway Bridge美國佛羅里達州分段拼裝預應力斜拉橋Sunshine Skyway Bridge across Tampa Bay-4.2mile long 在中度以上侵蝕環(huán)境中的橋梁上部

10、結構，包括預應力構件的混凝土中，必須摻用粉煤灰。其中大體積混凝土中粉煤灰的摻量為18 50%佛羅里達州運輸局標準S-346 1983年修訂海港工程混凝土防腐蝕技術標準 交通部行業(yè)標準2001年5月1日起執(zhí)行在受侵蝕作用嚴酷環(huán)境中應采用高性能混凝土粉煤灰 摻量 2550%磨細礦渣 5080硅粉 510加拿大礦產與能源技術中心CANMET大摻量粉煤灰混凝土水泥 150 kg/m3; 粉煤灰200 kg/m3 摻引氣劑和高效減水劑，含氣量=56% 坍落度200mm 混凝土的抗壓強度：28天 3040MPa 90天 4050 1年 5060摻有輔助膠凝材料的高強混凝土強度開展特性 P.Read, G.

11、G. Carette, and CANMET 第二屆“高強混凝土的應用國際研討會論文集1990拌合物的配合比kg/cm3 組分 水膠比 水 水泥 礦渣 硅粉 粉煤灰 石 砂 1 CSSi 0.29 143 315 135 35 1142 7442 CS 0.28 133 317 167 1145 749 3 C8Si 0.27 130 449 39 1149 7584 C12Si 0.27 132 427 59 1139 7545 CF 0.29 102 150 200 1222 8116 C 0.27 130 485 1143 762摻/不摻粉煤灰混凝土的強度開展比較8.321.933.75

12、4.769.580.797.544.452.558.570.185.094.6100.8 齡期 試件1530cm 構件(0.52.51.5m 1 d 3 d 7 d28d91d182d365d 摻 不摻 摻 不摻 *24.329.952.187.592.198.238.750.849.057.276.280.286.5大摻量粉煤灰混凝土研究內蒙元寶山1級粉煤灰、北京2級粉煤灰水泥 150 kg/m3; 粉煤灰200 kg/m3 摻高效減水劑，水膠比 0.30 0.38R3= 30MPa; R28= 50MPa; R1y = 80MPa;粉煤灰混凝土的應用 公路工程建設中，自1994年初以來由廣

13、東省筑路機械租賃公司在廣-花、深-汕、廣-湛、京-珠粵北段等四條高速公路近100km工程施工中摻有粉煤灰2047.5%，取得明顯改善滑模攤鋪路面的質量提高路面宏觀平整度、消除裂縫、減小進口設備損耗、降低工程造價、節(jié)約水泥的綜合效益。粉煤灰混凝土的應用 在建筑工程中，我們與北京城建集團總公司構件廠合作，在自密實混凝土中摻用30 45% 粉煤灰作為增粘劑，保證了這種混凝土有足夠粘聚性，不致發(fā)生離析與泌水現象，而且可在數小時里幾乎沒有坍落度損失，滿足長途運輸后仍然能夠自密實的效果。該成果于1998年12月獲得北京市科技進步三等獎。維持千年整體根底的建造中央電視臺大廈底板混凝土澆注 混凝土總用量12萬

14、方，分屢次澆注，最大一次底板厚度為7m，混凝土用量為38000m3，世所罕見。?施工技術?雜志2006年第9期有4篇文章詳細報道杭州灣大橋承臺海工HPC武漢“中交集團橋梁工程重點試驗室提供2. HPC的作用機理混凝土的結構與性能 大顆粒粗骨料的間隙由小顆粒粗骨料填充；小顆粒粗骨料的間隙由細骨料填充；漿體填充粗細骨料的間隙并包裹形成潤滑層，以滿足澆注成型時的工作度要求大石子小石子小石子小石子小石子砂子水泥重視骨料的品質 骨料占混凝土體積70以上，但其品質常被忽略。對配制HPC 尤為重要。 通常認為骨料越堅硬，配制混凝土越好。事實上，骨料的顆粒形狀、級配對空隙率影響影響包裹骨料和形成潤滑膜的漿體量

15、，從而影響HPC的各種性能。 國內的破碎設備普遍落后，使粗骨料片針狀顆粒多，級配不好510mm的顆粒很少，是應用HPC必須解決的首要問題，只有大幅度改善骨料品質，才能配制出合格的HPC 。 礦物摻和料在混凝土中的作用1填充作用：與水泥一起填充骨料的間隙并形成潤滑膜。2改善過渡區(qū)：消納氫氧化鈣，改善過渡區(qū)，同時生成具有膠凝性產物火山灰反響 。3分散作用：對水泥起分散作用，在低水膠比下改善水泥的水化環(huán)境。4改善抗裂性能：延緩早期強度開展速率，改善混凝土抗裂性能。1填充作用 由于粉煤灰的顆粒形狀呈球狀，在澆注和泵送時的潤滑作用良好，實踐說明：坍落度為100mm左右大摻量粉煤灰拌合物就顯示良好的泵送性

16、能。 粉煤灰的密度只有水泥的2/3左右，因此以大摻量粉煤灰代替水泥時，可以明顯增加粉體的體積在保持漿體體積不變時，可以大幅度減小用水量，降低混凝土水膠比。 而磨細礦渣的密度與水泥接近，雖然顆粒主要為玻璃體，但它無論以多大摻量代替水泥時，都不改變漿體需水量，因此不能降低拌合物水膠比。 fc K1 / K2w/c1918年Abrams 提出水灰比定那么： 眾所周知，水灰比越大、混凝土的強度越低，抗?jié)B透性也越差；但多數人卻忽略了摻有礦物摻和料的混凝土，水膠比和混凝土強度存在類似的關系。抗壓強度振搗手工插搗充分搗實的混凝土未充分搗實的混凝土粉煤灰和水泥對強度的奉獻 與水膠比和齡期的關系 骨料的質量一定

17、，空隙率就一定，包裹骨料并形成潤滑層的漿體量就確定。 需要的漿體量越大，意味著用水量多，或者水泥用量大。水泥粉煤灰石子砂外加劑水水膠比350011506801.61750.503153511506801.61750.502807011506801.61750.5024510511506801.61750.50C 30 摻粉煤灰混凝土配合比設計例如(kg/m3)粗骨料最大粒徑40mm的C30混凝土 水泥占體積 350/3.15= 110 水 175 漿體體積 285升大摻量粉煤灰混凝土研究內蒙元寶山1級粉煤灰、北京2級粉煤灰水泥 150 kg/m3; 粉煤灰200 kg/m3 摻高效減水劑，水膠

18、比 0.30 0.38R3= 30MPa; R28= 50MPa; R1y = 80MPa;水泥粉煤灰石子砂外加劑水水膠比350011506801.61750.503153511506801.61750.502807011506801.61750.5024510511506801.61750.50C 30 摻粉煤灰混凝土配合比設計例如(kg/m3) 150 200 1220 680 1.6 105 0.30粗骨料最大粒徑40mm的C30普通混凝土水泥占體積350/3.15= 110 水 175 漿體體積 285升粗骨料最大粒徑40mm的大摻量粉煤灰混凝土水泥占體積 150/3.15 = 48粉

19、煤灰 200/2.18 = 92 水 105 漿體體積 255升 粗骨料最大粒徑40mm的摻粉煤灰混凝土水泥占體積 280/3.15 = 88.8粉煤灰 70/2.18 = 32 水 175 漿體體積 295升 上例說明：當粉煤灰摻量少時，混凝土的水膠比降不下來，影響粉煤灰作用的發(fā)揮。而大摻量粉煤灰混凝土中，單純粉煤灰的減水率到達40，超過任何高效減水劑的減水效果！ 礦物摻和料與氫氧化鈣發(fā)生火山灰反響，生成與水泥水化反響產物相同的、具有膠凝性的產物C-S-H凝膠，不斷填充過渡區(qū)的空隙，使其更加密實，從而可以提高混凝土的強度，降低滲透性，改善耐久性。2改善過渡區(qū)裂縫擴展的路徑和方向骨料水泥石骨料

20、周圍的過渡區(qū)薄弱的過渡區(qū)骨料水可見泌水內泌水骨料過渡區(qū)水泥石本體C-S-HCH鈣礬石骨料氫氧化鈣鋼筋沉降裂縫水囊混凝土外表混凝土沉降形成的縫隙鋼筋混凝土鋼纖維雙膜氫氧化鈣水泥漿本體多孔層 為了滿足建設市場的需要，水泥廠商不斷提高水泥的活性和粉磨細度，現今的水泥水化并放熱迅速，使混凝土構件即使斷面尺寸不多大，也會出現明顯的溫升；同時，水泥的散裝運輸方式進一步提高了混凝土拌合物的初溫，又反過來加劇水泥的水化放熱和強度開展速率。3溫度參數的影響不同膠凝材料配制出混凝土的溫度變化歷程曲線不同膠凝材料配制出混凝土在(a)標準養(yǎng)護條件及(b)與結構溫度開展歷程相同養(yǎng)護的強度開展強度開展評價尤其適用于配合比

21、和張拉、拆模時間預測溫度檢測、發(fā)送與采集和匹配養(yǎng)護 Temperature measurement, transmit, collection and TMCTt現場試件加熱裝置電腦發(fā)送裝置接收裝置測溫點養(yǎng)護箱轉發(fā)裝置 大摻量粉煤灰混凝土配合比范例(kg/m3)28天強度20MPa28天強度30MPa28天強度40MPa用水量120130115125115120ASTM型水泥125130155160180200ASTM F型粉煤灰125130215220220225粗骨料(Dmax 100mm或水膠比 0.4時，摻用高效減水劑。V. M .Malhotra and P. K. Mehta.,

22、High Performance HVFC(2nd edition) . Jan,2005.摻超細石粉混凝土配合比kg/m3摻超細碳酸鹽巖粉未摻超細碳酸鹽巖粉試驗編號Mix13Mix14Mix15Mix16Mix17Mix18Mix19Mix20Mix21Mix22水130130130130130165163163160165水泥130144150162195235265300335400粉煤灰1301441501621959090909090超細巖粉10011212012610000000砂922884855787677982948912839756碎石1000996100510421059

23、98298798810261044Glenium Ace682.162.42.522.73.241.631.731.952.132.45水膠比0.510.460.440.410.340.510.470.420.380.34水/粉0.360.330.310.290.260.510.470.420.380.34粉體材料合計360400420450490325355390425490坍落度(mm)210220210215220210215220215220抗壓強度（MPa）3天21.924.528.232.839.014.316.721.225.234.77天25.231.136.842.951.0

24、22.124.931.638.448.728天40.344.053.259.668.530.735.342.450.355.260天49.452.360.269.072.038.643.250.459.265.4聚羧酸減水劑的應用四、高性能混凝土的施工 高性能混凝土具備需要的性能和勻質性的混凝土。按常規(guī)靠采用傳統(tǒng)的組分材料、普通的攪拌、澆注與養(yǎng)護操作，是不可能得到這種混凝土的。 高性能混凝土國際研討會19901. 拌和與工作度檢測、評價2. 運輸與澆注3. 養(yǎng)護4. 拆模 HPC組分多，比較粘稠，攪拌設施和時間良好，保證拌和充分均勻非常關鍵1必須采用臥軸或行星式等攪拌機拌合HPC，并精心維護，

25、以保證其長期拌和均勻的效果；2拌和時間不應過長，尤其是熱天，以免拌合物吸熱升溫，必要時采用預冷措施盡量降低初溫；3拌和時禁止因感覺粘稠而隨意增大用水量水膠比變化是造成拌合物離析、泌水、粉煤灰上浮重要原因；4宜采用坍擴度或倒坍落度檢測控制工作度。1. 拌和與工作度檢測、評價2. 運輸、澆注與振搗 1HPC拌合物運輸和澆注過程禁止加水會破壞拌合物的勻質性，使其易于泌水、離析分層，喪失需要的性能； 2熱天拌合物運輸時罐車應注意隔熱降溫，注意拌合物初溫上下對硬化混凝土性能影響顯著； 3冷天運輸時一般無需保溫； 4振搗時應防止平拖振搗棒，造成局部過振?；炷翝沧囟葦嗝婧穸?(m)溫度 最小 最大 25

26、20允許混凝土澆注溫度 (CSA A23.1-04，表14 ) 注：1HPC的澆注溫度任何情況下不得超過25； 2澆注溫度應盡可能接近上表中的最小值；溫度高使拌和水增多、坍落度損失增大，且溫度收縮加劇。 注：1交貨溫度20或更低可以通過以冰作為拌和水或用液氮冷卻混凝土； 2當結構斷面屬于大體積混凝土時，澆注溫度應限制更低； 3這種混凝土的質量和強度、效勞壽命主要取決于基體的質量。高溫和溫度梯度大，引起快速水化和微裂縫，會使質量降級； 4如最高溫度和溫度梯度超過一定限度，可能產生宏觀裂縫與微裂縫，使強度和耐久性劣化。根據近年加拿大的工程經驗，交貨時可以容許絕對最高溫度為25；最好是20。CSA

27、A23.1-048.5 高強混凝土8.5.5 溫度 應限制混凝土水化過程溫峰為70。Liquid nitrogen being used to cool concrete混凝土澆注溫度高的影響 由于水泥以散裝方式運輸，以及經粉磨的水泥迅速出廠，使國內的水泥進入攪拌機時溫度非常高，尤其是夏季，常到達90以上，甚至超過100。 如此高溫的水泥，使攪拌出來的混凝土往往高達35以上，即使用碎冰代替局部攪拌用水并向骨料堆噴淋冷卻。 方式：外養(yǎng)護 1噴霧、噴灑延緩蒸發(fā)劑： 2覆蓋濕草袋、麻袋保濕； 3噴灑養(yǎng)護劑乳化石蠟保濕； 4覆蓋塑料膜、塑料墊，保溫保濕； 5遮陽棚、遮風棚； 6覆蓋泡沫塑料或礦棉氈保溫。3. 養(yǎng)護與拆模內養(yǎng)護1預濕多孔骨料、人造輕骨料；2摻預濕高倍吸水劑養(yǎng)護方式內養(yǎng)護 Inner Curing良好的內養(yǎng)護作用養(yǎng)護方法預防塑性收縮裂縫 構件種類：水平板上外表暴露面積大 外表蒸發(fā)及早覆蓋 薄板如樓板 塑料膜布覆蓋 厚板如底板 升溫階段覆蓋草袋、麻袋并噴霧以降低溫峰 降溫階段撤掉草袋、麻袋并覆蓋塑料膜布保溫壁板、梁、厚板側面等沉降